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为什么我们需要开始听昆虫

为了抗击疟疾,研究人员正在恢复一项在音乐和生物学的研究领域:Wingbeat频率。丹尼尔大大追溯了芬兰到坦桑尼亚的故事,看着纪律碰撞可能导致的地方。

这是一个温暖的夏天下午在兰西罗坦桑尼亚村庄,米克尔布莱德达德在砖块蹲下,试图修复破碎的激光。在他旁边,在一个高大的三脚架上,三个望远镜通过一个窗口的窗口在距离的树上。一台笔记本电脑在上翘的盒子上休息,等待收到信号。

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通过工作激光,该系统被称为Lidar - 类似Radar,Brydegaard告诉我,但使用激光而不是无线电波。该设置应该收集有关疟疾蚊子运动的精确数据。但随着太阳开始在外面落户,布莱德德正在紧张。他和他的同事在坦桑尼亚度过了一周,他们的设备仍未开始收集数据。他们几乎没时间了。

明天,太阳日食将在坦桑尼亚揭示太阳 - 这是每十年只有一次发生一次的事件,而布莱德雅德和瑞典隆德大学的团队已经走了数千英里看。他们的直接目的是看看Eclipse是否影响携带疾病的昆虫的行为。然而,他们的较大任务是证明激光可以彻底改变昆虫的研究。

LIDAR涉及在两个点之间射击激光束 - 在这种情况下,在小屋和树之间。当昆虫飞过光束时,它们会散落并反射光回到望远镜上,产生科学家希望识别不同物种的数据。在害虫摧毁足够的食物以维持全国的时候 - 当昆虫传播疾病每年杀死数十万人 - 这种横梁和镜片的安排可以,可能是提高数百万人的生命。

但没有工作激光,坦桑尼亚的旅行将无关紧要。

已经,团队已经接近放弃了。几天前,他们的两个高功率激光器未能工作。 “我的第一个想法是,好的 - 包装一切,我们回头,”布莱德雅德告诉我。 “坦桑尼亚无处可去,我们可以找到备件。”他痛苦地思考他们在设备和旅行上花费的数万美元。但后来他和塞缪尔·詹森,他的研究生,以及他们穿过手机上的联系人滚动的瓶子上的啤酒上。也许,他们开始思考,毕竟有可能挽救这次旅行。

我们迫切需要更好的方法来区分帮助我们和伤害我们的错误的错误

激光可能是用于识别昆虫的尖端工具,但在激光雷达方法的核心是一个优雅而百年的昆虫学原则。几乎每种飞昆虫,从蛾到Midge到蚊子,都有一个独特的翼展频率。一位女性 Culex Stigmatosoma. 例如,蚊子可能会以350赫兹的频率击败它的翅膀,而男性 Culex tarsalis. 可能在550赫兹。由于这些差异,昆虫的Wingbeat就像一个指纹。近年来,翼展的研究经历了文艺复兴,特别是在人类健康领域。

在激光器或计算机之前,Wingbeat在听觉中被思考 - 甚至音乐术语。仔细的听众可以将飞行的嗡嗡声与钢琴上的钥匙匹配。这正是罗伯特胡克是一个自然的哲学家,在17世纪做了什么:“他能够通过她的翅膀(那些嗡嗡的嗡嗡声)的翅膀来讲多少次抚摸,所以在穆斯里克回答在他们飞行期间,“撒母耳佩佩,英国公务员和胡克的朋友写道。

但是胡克依赖他的耳朵的事实必须使他的发现难以沟通。传统上通过科学论文,信件和标本图纸分享知识,因此昆虫学家们倾向于依靠视力而不是听证会。 “长期以来,该领域已经非常狭隘,”纽约康奈尔大学的昆虫学家和流行病学家Laura Harrington表示。

然而,在20世纪,研究人员开始打破模具。主要的翼展检测方法是视觉:时间计量方法,涉及在快速连续中拍摄照片。这有其局限性,一些敏锐的研究人员觉得罗伯特胡克的听觉方法有一个优势 - 特别是Olavi Sotavalta,来自芬兰的昆虫学家,芬兰有绝对的球场的罕见礼物。就像具有绝对音调的作曲家可能会被耳朵发行音乐通道,Sotavalta可以在没有钢琴的帮助下识别蚊子翅膀的精确基调。

©Matthew这匹马
© Matthew the Horse

“声学方法使得可以在自由飞行中观察昆虫,”Sotavalta在1952纸中写道  自然 。换句话说,因为他有绝对的球场,Sotavalta不能在实验室中的相机制作Wingbeat观察,而且还有自然,他的耳朵。科学家被他们选择使用的感官通知并限制。

Sotavalta的奇怪研究方法表明,当单独的学科碰撞时,某些科学洞察力出现:他不仅在研究期间识别物种,而且还用于音乐。 “他有一个美丽的歌声声音,”赛人·普林廷说,遗传学遗传学教授曾经是SOTAVALTA的学生。 Portin记得他作为一个高大的苗条男子,他们总是穿着蓝色实验室外套。

SOTAVALTA在芬兰国家图书馆的论文是信件的好奇组合,昆虫行为上的专着,以及叠加的乐谱。他的一些作品以鸟类和昆虫命名。

Sotavalta论文中最奇怪的一个,发表在 芬兰动物学会,令人惊讶的文件细节,两个特定的夜莺的歌曲。 Sotavalta在连续夏天听到他们,同时留在他的避暑别墅在Lempälä。纸张本身似乎干燥,直到明确表示他试图将音乐理论应用于鸟类。

“两个普林斯夜莺的歌曲(Luscinia luscinia L.他在声学上录制了两次连续的年度,并呈现出传统的铲球符号,“他写道。

以下是近30页的笔记,图表和鸟类节奏和色调的分析。在突出两首歌曲之间的相似之后,他宣称:“由于他们正在唱歌的地方之间的距离很短,所以总结说,他们也许是父亲和儿子。”好像他的工作是寻找某种模式,一些音乐思想,由同一物种的成员共享。

但是,他的论文  自然  相当多的关系。在那里,Sotavalta描述了他的“声学方法”用绝对间距来识别昆虫的用途,以及关于昆虫飞行的微妙之处的理解:它消耗的能量是多少,以及如何根据空气压力和体尺度变化。即便如此,后来只有数十年的科学家,如布莱德雅德等科学家重申了Wingbeat在昆虫研究中的相关性 - 例如,持有疟疾的蚊子。

由于卫生官员退出疟疾监测和控制的旧策略,实验技术的作品带来了新的紧迫性

在坦桑尼亚,布莱德雅德,君森和工程师佛弗莱姆明Rasmussen没有绝对的球场 - 而且,即使他们做过,它也不有效。村庄和周围有数百万昆虫,他们在一个永无止境的交响乐中无人机。

这些科学家替代敏锐的耳朵,是一个高科技小工具和两个破碎的激光器。和他们的手机。

当激光器失败时,需要几个假开始寻找解决方案。科特迪瓦的研究员有一个工作激光,但他在美国离开了。 Brydegaard考虑通过邮件发送替代,但知道 - 感谢海关和达累斯萨拉姆机场的日常驾驶 - 它可能不会及时到达Eclipse。

最后,他们向FaunaPhotonics,他们的商业伙伴的首席执行官发短信给FrederikTaarnhøj,并询问他是否会考虑从瑞典与一些备用激光派遣科学家。 Taarnhøj说是的。

因此,三重奏使得一些疯狂的呼唤,最终让另一个研究生Elin Malmqvist,第二天登上飞机。当她这样做时,她的手提箱里携带三个小金属盒。

然而,佐贺岛尚未结束。即使在最后一分钟飞行的巨额费用之后,首次更换失败:Brydegaard在他匆忙中,将阳极与阴极混淆,这是短路的激光二极管。第二激光产生梁,但是,莫名其妙地,它如此微弱的是不可用的。

这是Brydegaard现在解压缩的最后一个激光,希望至少这是预期的。当他把它拧到三脚架上时,它几乎是日落,他的搅拌是可触及的。在一小时内,即使是工作激光也会太暗。一切都在这件设备上骑行。

很长一段时间,科学家认为女性蚊子是聋人 - 他们根本没有注意声音

Laura Harrington在康奈尔的实验室看起来有点像餐馆厨房。类似于步入式冰柜的门实际上会导致潜伏室。荧光灯是潮湿和点亮。架子覆盖着精心标记的盒子。 Harrington在你携带汤的各种容器中显示Me Disquito鸡蛋。在容器的顶部,为了防止蚊子逃脱,有某种网 - 新​​娘面纱,她告诉我。该方法不是非常简单的。一些蚊子逃脱了,当我们聊天时,他们围绕着耳朵和脚踝嗡嗡作响。

当我们谈论Sotavalta的方法时,Harrington说他“绝对领先于他的时间”。即使近年来,被认为倾听蚊子的研究人员也没有意识到有多少昆虫能够倾听。 “长期以来,科学家认为女性蚊子是聋人 - 他们根本不注意声音,”哈灵顿说。

但在2009年,Harrington把那些长期的假设放在测试中。在一个不寻常和错综复杂的实验中,她和她的同事们束缚了一位女性 AEDES AEGYPTI. 蚊子到头发,安装了一个麦克风附近,并放置在倒置的鱼缸内。然后他们在坦克里面释放了雄性蚊子并记录了结果。

球队的调查结果惊讶于Harrington,并导致声音和昆虫学的研究突破。 AEDES AEGYPTI. 进行了一种与声音有关的中间空气交配舞蹈。女性蚊子不仅响应了男性的声音,它们也似乎与自己的声音沟通。 “我们发现雄性和女性实际上彼此唱歌,”哈林顿说。 “他们在交配之前同联。”

这个“交配歌曲”不是由声带产生的。它是通过拍打翅膀制造的。在正常飞行期间,男性和女性蚊子略有不同的翅膀。但哈灵顿发现,在交配过程中,雄性与女性的翼展对齐。

“我们认为女性正在测试男性,”Harrington解释道。 “他可以和谐迅速。”如果是这样,蚊子歌曲可能像听觉孔雀功能一样。他们似乎帮助女性确定最适合的伙伴。

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通过这些结果,并获得最近的账单&Melinda Gates基金会,Harrington的实验室已经开始开发一种用于实地研究的新型蚊子陷阱。澳大利亚詹姆斯库克大学的团队和哥伦比亚大学在纽约市等方面采取了类似的项目。

对于研究人员来说,目前存在的蚊子陷阱存在缺点。化学陷阱必须重新填充,而电动陷阱往往会杀死蚊子; Harrington希望她的新陷阱利用声音的力量来捕捉生活标本进行监测和研究。它将结合建立的方法来吸引蚊子,如化学品和血液,记录蚊子听起来像模仿交配歌曲。重要的是,它可以用来捕获任何性的蚊子。

从历史上看,科学家们侧重于捕捉女蚊子,每天两次去寻找哺乳动物咬的哺乳动物 - 并且可以携带疟疾寄生虫(男性没有)。但科学家最近开始考虑男性蚊子也是疟疾控制的重要组成部分。例如,抑制疾病的一个目前提案涉及释放产生不孕症后代的遗传修饰的雄性,以减少给定区域中的携带疾病的蚊虫群。

Harrington的希望是声学陷阱 - 使用吸引男性的交配歌曲 - 将有助于制定这种可能的新策略。 “我们想要做的是真的在盒子外面思考,并确定控制这些蚊子的新方法,”她说。

疟疾的负担将在数十亿美元中计算 - 如果可以计算

最后的激光最终到位,布莱德省的翻转开关。突然间,在三脚架旁边的笔记本电脑屏幕上,出现一个小白点。每个人都呼吸着救济叹息:激光作品。

该团队 - 由Brydegaard,Jansson,Malmqvist和Rasmussen组成 - 花费最后15分钟的日光将光束带入焦点。除了几个当地的孩子,谁喊道“ Mzungu “ - 斯瓦希里语为轻型皮肤外国人 - 没有人似乎特别困扰着欧洲人们滋补望远镜。

日落扔在卢比罗周围的沼泽景观中的美丽,柔和的光芒,但它也标志着疟疾传播的开始。由于黑暗开始落在恒星系统设置的小屋上,村民在田野里走进去;烟雾支柱从烹饪火灾上升。这里的当地人依赖于米饭的生计:钉在一天两餐,沿着尘土飞扬的主干道,米饭堆满秋天的叶子。但稻田需要常设水,常设水抚养疟疾蚊子。昆虫已经开始在我们的腿上嗡嗡作响。

现在,那天晚上已经解决了我们,LIDAR系统终于开始录制了一个洪流的数据。团队在黑暗中坐在小屋周围;外面的汽油发电机嗡嗡声,供电激光器和计算机。在笔记本电脑屏幕上,锯齿状的红线显示山峰和山谷。 Brydegaard告诉我,表示来自光束的回声。围绕黄昏,几十个或数百昆虫可能每分钟横梁。我们正在观看昆虫学家称为“高峰时间”的时期 - 从女性蚊子进入村庄并开始寻找食物时,开始的活动浪潮。

坦桑尼亚着名的奥卡拉卫生学院的医学昆虫学家尼科莫斯戈维亚 - 一个动物园的当地合作伙伴 - 已经看到了晚上的蚊子Rush数百,甚至是数千次。他知道如何在疟疾寄生虫举行时颤抖和呕吐程度;他经历过症状时间。 “在我的童年期间,我无法计算多少次,”他告诉我。

如果坦桑尼亚流行病学家正在发动对疟疾的战争,Ifakara健康研究所就像一个情报部 - 它跟踪疟疾蚊子的叮咬的密度,分布和时机。传统上,Govella说,蚊虫监测的“黄金标准”是一种称为人着陆捕获的方法。它的低技术但可靠:志愿者被药物治疗,以防止疟疾传播,然后用腿裸露,让蚊子落地和咬人坐在外面。

问题是对疟疾的保护不再足够。从登革热到寨卡的其他疾病也被蚊子传播。结果,人着陆赛现在广泛认为是不道德的。 “它为您提供信息,但它是非常危险的,”Govella说。 “其他国家已经禁止了。”由于卫生官员退出疟疾监控和控制的旧策略,实验技术的作品带来了新的紧迫性 - 这就是激光器将进入的地方。

在坦桑尼亚的部分地区,部分归功于羽绒被和杀虫剂,疟疾已经“巨大地走下去”,Govella告诉我。但根除疾病已经证明是难以捉摸的。一些蚊子对农药产生了抗性。同样,羽绒被帮助带来夜间传播 - 但蚊子适应了他们的行为,当人们没有受到保护时,开始咬人和黎明。

2008年,政府的女儿签约疟疾。思考,政治的方式变化;他的精确医学语言让位于安静的激情。 “我甚至不想记住,”他说。 “当我到达那个记忆时,它真的给我带来了很多痛苦。”

在其早期阶段,疟疾可能看起来像一个普遍的感冒 - 这就是为什么科学家拥有追踪寄生虫和蚊子的蔓延的工具如此重要的原因:避免误诊。在他女儿的情况下,缺乏信息被证明是悲剧。 “因为没有很快检测到,它达到了抽搐的水平,”戈维拉说。他的女儿最终从疟疾的并发症中死亡。从那时起几乎每天,他都想过根除。

“我讨厌这种疾病,”戈维拉说。

昆虫害虫破坏了全球作物产量的五分之一 - 如果世界的农民有更好的控制他们的方法,他们可以养活数百万人

疟疾的持久性沮丧了几代科学家。在发现寄生虫后多个世纪,每年仍然折磨数亿人,其中一半的死亡。 Harrington拥有自己回忆的伤害造成的伤害:1998年,她前往泰国一系列实验和合同疟疾。 “我是唯一一个数英里和英里的外国人,”她说。随着发烧所在的,哈灵顿开始了解她所研究的疾病的真正负担。

“我可以想象自己是那些疾病的泰国村民,”她告诉我。她远离最近的医院,独自感受到。 “我觉得,如果我死了,也许人们不会发现。”最终,有人找到了她,把她放在拾取卡车的后面。她记得陷入谵妄,盯着风扇,在天花板上无休止地旋转。 “我看到一个带有充满紫色液体注射器的护士,”她回忆道。它提醒她在她之前工作过的时候,在兽医诊所,使用紫色注射来安乐死病人。 “我以为那是结束。”

最后,发烧破了,哈灵顿知道她要生存。 “我感到非常感谢我的生命,”她说。经验使她更加致力于她的研究。 “我觉得我有能力尝试致力于最终帮助其他人的事业。”

疟疾提供了一种生动的例子,即昆虫如何威胁人类健康 - 但是他们有许多其他方式可以造成伤害。昆虫还遍及其他微生物疾病。然后是他们对农业的影响。根据联合国的粮食和农业组织,昆虫害虫破坏了全球产量的五分之一。换句话说,如果世界的农民有更好的方法来控制蝗虫和甲虫的物种,他们可以养活数百万人。

杀虫剂减少了昆虫原因的损害,但是当用戒律使用时,它们也可以伤害人或杀死我们依赖的昆虫。我们仍然依赖于蜜蜂,飞蛾和蝴蝶等粉碎者,但2016年的报告显示,40%的无脊椎动物传染案物种受到灭绝的威胁。这是因为这种爱情与昆虫的关系,我们迫切需要更好地跟踪不同物种的方法 - 更好的方法来区分帮助我们和伤害我们的错误的错误。

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在日食的那一天,在中午之前,在卢比罗上方的蓝天,月亮的黑盘在阳光下穿过。一群孩子聚集在一起;他们握住斯堪的纳维亚科学家带来的焊接玻璃的小板。通过窥视绿色着色玻璃,孩子们可以看到狭窄的太阳的新月。

我们周围的村庄变得黯淡;我们的阴影已经增长了不太明显。通过光线来判断,感觉好像突然的风暴已经进入,或者有人转过了一个让太阳晕倒的暗镜。来自瑞典的科学家以及他们在Ifakara健康研究所和Faunaphotonics的合作伙伴,想知道在炽热昆虫的昏暗之光中是否变得更加活跃,就像他们在黄昏时一样。

在屏幕上,我们观看了红色峰值,这已经再次拾取 - 不像我们在日落和日出时看到的那么多,但比往常多。这种数据很重要的原因很重要:如果蚊子在日食期间更加活跃,那么他们暗示他们用光作为提示,知道何时每天早上和晚上被崛起和夕阳的昏暗的夜晚蔓延。

随着数据倒入的,科学家们通过我们正在寻找的东西谈谈。 LIDAR最初是开发的,以研究大量规模的现象,如大气化学的变化。该系统已被简化为最小值。

三脚架上的三个望远镜中的每一个都有一个单独的功能。首先将传出激光器直接在树上约半公里的树木。钉在树干上是一个黑板,光束终止。 (为了清除激光的道路,博士学生Jansson,不得不用砍刀削减一条炮弹。)

当昆虫飞过激光束时,反射从其击打翅膀的装置反射,并且它们被第二个望远镜拾取。第三个望远镜允许团队瞄准并校准系统;整个设备连接到聚合数据的笔记本电脑。在屏幕上跳舞的红色峰值代表了穿过激光束的昆虫。

要记录倒影,布莱德省的呼叫“大气回声”,激光雷达系统每秒捕获4,000个快照。稍后,该团队将使用算法梳理到翼展频率的快照 - 每个物种的指纹。

换句话说,这种设备与光学达到了Olavi Sotavalta以他的耳朵实现的,以及哈灵顿在麦克风的帮助下实现了什么。

但LIDAR数据中有一些细节,人类耳朵永远不会辨别。例如,昆虫的翼略频率伴随着更高倾斜的谐波。 (谐波是借给小提琴声音的丰富性;它们负责由柔和的吉他弦产生的谐振环。)激光雷达系统可以捕获对于人类耳朵来说太高的谐波频率。另外,激光束是极化的,当它们反射不同的表面时,它们的极化变化。变化的数量可以告诉布莱德省和他的同事昆虫的翅膀是否有光泽或遮罩,在试图区分不同物种时也是有用的。

当太阳的黑暗盘又开始削弱时,科学家们将照片拍摄并尝试,没有多大成功,解释激光如何向当地的孩子们工作。现在数据流动,伴随着激光雷达系统的设置的张力只是融化了。

它终于似乎很清楚,实验的高价标签不会徒劳无功。该团队在激光雷达系统上花了大约12,000美元,而不是运输和劳动力的同等萎靡。 “这听起来很可能,站在一个非洲村,”布莱德格纳德承认。另一方面,旧式的潮羊达,用于研究大气,可以花费数十万美元。与此同时,疟疾的负担将在数十亿美元中计算 - 如果它完全可以计算。

在几个小时内,太阳的明亮圆圈再次燃烧。几个小时后,它已经开始设置。

我们重新涂抹臭虫喷雾,抵挡蚊子,再次从卢比罗周围的沼泽领域飞行。然后我们走进小镇吃饭,像往常一样,包括米饭。

就像SOTAVALTA一样,科学家们正在将独立的学科带入自然界中的模式

实验后三个月,我叫FaunaPhotonics,了解他们的分析如何进展。在这么多激光器失败后,我想知道决赛是否给了他们所需的结果。

他们说,数据很乱。 “围绕烹饪时间,空中有很多烟雾和灰尘,”乔丹·普朗斯马说,负责分析团队带回的数据的工程师。他补充说,数据似乎表现出不同的Wingbeats。但是要在图表上发现那些节拍的一件事。 “告诉电脑,'请找我正确的频率,”是另一件事,“他说。与已经学习个人的Sotavalta不同,坦桑尼亚的团队从数千名昆虫中收集了数据。他们试图立即分析所有殴打翅膀的人。

但障碍不是不可逾越的。 “我们在中午左右看到了更高的活动,”Samuel Jansson说,谈到了Eclipse的数据。这表明蚊子实际上是用光作为提示,开始在高峰时段期间寻找食物。 Prangsma补充说,他开发的算法开始分离关键数据。 “从科学的角度来看,这是一个非常丰富的数据集,”他说。

在几个月之后,FaunaPhotonics继续取得进展。 “尽管激光问题初步,”Brydegaard在最近的一封电子邮件中写道,“系统对我们所有的期望进行了满足。”

他说,系统正在运作的每一天,他们都记录了一个惊人的100,000个昆虫观察。 “迹象表明,我们可以歧视若干物种和性别类别的昆虫,”布莱德达德继续下去。

与他的隆德大学同事一起,布莱德德将发布结果;作为他的商业合作伙伴的FaunaPhotonics将提供他们的LIDAR设备,以及他们的分析专业知识,并寻求追踪该领域的昆虫的公司和研究组织。 “如果我们有一个对某种物种感兴趣的客户,那么我们将量身定制一些算法瞄准物种,”Prangsma解释说。 “每个数据集是唯一的,必须以自己的方式解决。”最近,FaunaPhotonics开始与拜耳合作为期三年,继续开发其技术。

自从Olavi Sotavalta使用他绝对的球场来识别昆虫的胜利,对Wingbeat进行了令人难以置信的漫长方式就像SOTAVALTA一样,他们在一起将独立的学科带来 - 在这种情况下,物理和生物学,激光乐队和昆虫学 - 在自然界中揭示模式。但他们有足够的工作要做。 FaunaPhotonics及其合作伙伴将在即将到来的纸张中首先,试图连接光线,激光和蚊子之间的点。然后他们会试图证明翼肉频率的研究可以帮助人类控制疟疾以外的疾病,以及破坏作物的昆虫。

“这是一个不是几个月的旅程,”工程师拉斯穆森说。 “这是一个将未来几年的旅程。”


这   文章  首次出版  惠顾  on  马赛克  并在创造性的公共许可证下发布。


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